基于鋼結構材料性能的大跨度鋼結構設計要點研究

方必紀 閆懷東

浙江嘉華建筑設計研究院有限公司 浙江 溫州 325200

進入新世紀以來，國內各地體育場館、會展中心、高層建筑等工程項目日益增多，各類大跨度結構形式被更加廣泛地應用到建筑設計中來，鋼結構表現(xiàn)出施工便捷、性能卓越等突出優(yōu)勢，近年來在建筑工程項目中得以普遍應用，為鋼結構建筑設計的創(chuàng)新發(fā)展提供了新的方向。同時對大跨度鋼結構設計而言，由于其結構相對復雜，施工周期較長，需要考慮施工工況、整體屈曲以及使用舒適性等因素，在很大程度上增加了其設計難度，對于建筑設計工作人員來說，必須要確保大跨度鋼結構的設計科學合理，保證其實際性能可以符合未來的使用需求，還需要更加全面深入地對大跨度鋼結構設計要點進行深入研究。基于此，本文結合筆者實際工作研究，以普通鋼框架和網(wǎng)架結構為例分析基于鋼結構性能的大跨度鋼結構設計要點。

1 大跨度鋼結構網(wǎng)架結構

網(wǎng)架結構屬于大跨度鋼結構中較為常見的一類，此類結構目前實際設計中應用較為廣泛。網(wǎng)架結構一般表現(xiàn)出非常突出的優(yōu)勢，不但整體結構剛度較大，形變更小，同時結構應力分布較為平均。選擇網(wǎng)架結構進行設計可以有效減少整個鋼結構的自重，同時擁有較高的承重性能，這也是網(wǎng)架結構當前在大跨度鋼結構中廣泛應用的主要原因[1]。

2 基于性能的大跨度鋼結構設計要點

2.1 材料性能

鋼材屬于現(xiàn)代建筑設計中非常常見的材料，其表現(xiàn)出較強的可塑性和韌性，同時在實際施工作業(yè)中可以便捷高效地進行組裝，有效促進施工效率的提升。大跨度鋼結構設計必須要根據(jù)建筑設計規(guī)范標準和抗震設計規(guī)定，鋼筋伸長率不低于20%，抗拉強度具體測量值應≤0.85，確保鋼材滿足建筑設計的實際需求。對比美國AISC建筑設計規(guī)范，現(xiàn)階段國內針對大跨度鋼結構設計來說還有待進一步完善，基于性能的角度出發(fā)對大跨度鋼結構進行設計時，必須要對鋼結構實施變形性能預測，確保性能設計滿足規(guī)范標準。與此同時在進行體系性能設計的過程中，要嚴格按照JGJ7-2010等規(guī)范要求，開展好鋼結構穩(wěn)定承載力測定，清楚承載力指標，確保鋼材性能符合要求。

2.2 荷載及作用

①永久荷載。永久荷載對于大跨度鋼結構而言通常來說涉及到屋面材料和屋蓋相關設施的自重，例如說各類保溫材料、防水層結構以及吊頂?shù)龋谠O計過程中計算其永久荷載必須要充分考慮到上述因素，從而保證大跨度鋼結構可以提供足夠的支撐性能。

②可變荷載。在大跨度鋼結構設計過程中應科學計算考慮可變荷載，首先是屋面活荷載，均勻分布于屋面的活載荷應當根據(jù)屋面水平投影面積大小予以計算。大跨度鋼結構屋面均勻分布的活荷載標準通常來說取值0.5kN/m2，若實際施工作業(yè)時出現(xiàn)相對較大的荷載，應當根據(jù)具體情況選擇有針對性的解決措施；其次是雪荷載，大跨度鋼結構屋面幾何形狀以及朝向等相關因素都會在很大程度上決定雪荷載大小，一般來說屋面低于全部的雪壓，雪容易從坡度更大的曲面屋頂滑落，若雙坡屋面的背風側或者曲面屋頂發(fā)生積雪，應當對雪荷載予以再次計算；最后是風荷載，大跨度鋼結構建筑的表面很多時候會遇到因為風力產生的壓力與吸力，即建筑的風荷載。風荷載通常情況下作用于建筑物表面，存在靜力與動力作用兩類，往往把平均風與穩(wěn)定風計算為靜力部分，脈動風計算為動力部分，在建筑設計過程中，平均風能夠通過靜力學方法予以計算，脈動風對大跨度鋼結構的作用可以選擇隨機振動理論實施計算[2]。

③偶然荷載。偶然荷載一般來說是因為各種突發(fā)事件而造成建筑結構發(fā)生變動，常見的一般有地震、臺風等。對大跨度鋼結構設計來說，在實際設計時必須要充分研究偶然荷載作用。偶然荷載實際大小往往和鋼結構自身特性存在關系，也可能因為地面振動而產生影響或變化。例如說針對地震作用進行分析時能夠了解到，建筑物自身重量越大，地震所產生的作用越強，設計人員可以借助于振型分解反應譜法來針對大跨度鋼結構的地震作用實施計算，亦或是借助于簡化計算方法來對網(wǎng)架結構實施分析，選擇時程分析策略對關鍵位置或較為復雜的鋼結構進行計算。

④溫度作用。《建筑結構荷載規(guī)范》GB50009把基本氣溫定義為月平均最高溫度和月平均最低溫度。對于過去很多建筑結構設計而言，溫度對結構受力不會產生較大影響，通常設計過程中予以忽略。而對大跨度鋼結構而言，因為構件連續(xù)長度更大，鋼材自身存在熱脹冷縮的特性，很容易對結構帶來較大的次生內力，若設計人員沒有充分考慮溫度作用帶來的影響，必然會對整個建筑結構的穩(wěn)定性埋下隱患。

2.3 節(jié)點性能

因為大跨度鋼結構體系表現(xiàn)出復雜性和多樣性的特征，節(jié)點具體形式各有不同。網(wǎng)架結構一般來說為螺栓球節(jié)點或者焊接球節(jié)點，同時還包括類似于鑄鋼節(jié)點或者銷軸節(jié)點等類型。大跨度鋼結構和普通鋼結構相同，其節(jié)點性能必須要在強度、剛度以及穩(wěn)定性等各方面達到要求。首當其沖的是強度要求，節(jié)點連接件以及板材等不會出現(xiàn)強度破壞的現(xiàn)象，這是鋼結構節(jié)點的基本性能要求。對大跨度鋼結構設計的過程中必須要確保結構體系達到建筑抗變形要求，比如說網(wǎng)架結構亦或是雙層網(wǎng)殼結構，節(jié)點能夠簡化成鉸接節(jié)點，節(jié)點能夠進行轉動；針對單層網(wǎng)殼來說節(jié)點應當設計為剛接；對于管桁架結構而言，弦桿在節(jié)點位置應當設計為剛接，腹桿在節(jié)點位置應當設計為鉸接亦或是剛接。在確保結構穩(wěn)定的前提下，借助于構造措施以及有限元分析法來對節(jié)點域變形進行有效控制，從而保證不會對大跨度鋼結構的整體剛度帶來影響。對于節(jié)點的穩(wěn)定性來說，常見問題往往集中在受壓板件位置，受壓板件長度必須要達到構造需求，對重要部位需要實施有限元分析，保證各個節(jié)點的穩(wěn)定性能。

2.4 抗火性能

抗火性能設計屬于大跨度鋼結構設計過程中必須要尤其重視的問題。此類建筑如果出現(xiàn)火災往往無法有效發(fā)揮出防火隔煙的能力，很容易引起火勢蔓延。針對普通建筑來說，能夠使用火災探測器予以控制，但大跨度鋼結構建筑由于內部空間相對更大，火災發(fā)生之后，短時間所產生的空間溫度一般難以觸發(fā)火災探測器，因此也不能夠發(fā)揮出實際的預警效果。特別是對于體育場館來說，其內部人員更多，如果無法第一時間予以疏散，必然會導致十分嚴重的事故。因此設計人員必須要充分考慮到大跨度鋼結構的抗火性能，促進建筑整體安全性的不斷提升。實際設計過程中應當在熱傳導系數(shù)等數(shù)據(jù)支撐下科學計算內部溫度，同時依靠屈服強度等計算鋼結構處于高溫時的內力和形變狀況，從而確保設計方案的科學合理[3]。

大跨度鋼結構內的鋼構件達到耐火極限的情況下可以承受的最大溫度是其最大抗火性能。當出現(xiàn)火災之后，鋼構件可能會發(fā)生拉斷現(xiàn)象，從而導致結構坍塌。所以針對大跨度鋼結構進行設計時，應當在鋼構件處于耐火極限的狀態(tài)下對其受到的破壞結果予以深入分析，如此一來才可以準確得到鋼結構的最大抗火性能。同時針對大跨度鋼結構建筑來說，火災發(fā)生后其內部溫度逐漸提高，對整個結構的屈服強度也可能帶來影響，實踐計算后了解到，如果鋼結構處在恒載升溫的情況下，其塑性變形如果超過0.2%，代表鋼結構失去抗火性能，這時我們便能夠更為準確地了解其耐火極限和臨界溫度，為科學設計帶來準確的數(shù)據(jù)參考。

2.5 失穩(wěn)分析

失穩(wěn)亦稱之為屈曲，即鋼結構亦或是構件失去整體穩(wěn)定性，針對大跨度鋼結構施工過程中，失穩(wěn)問題的發(fā)生概率較高。對于大跨度鋼結構的整體設計應當充分結合穩(wěn)定性要求，做好支撐體系的布置。例如某電鍍產業(yè)園，因為消防方面的要求，大跨度鋼結構設備連廊需設置于主梁下側，原設計要求利用隅撐對鋼主梁受彎上翼緣予以約束，但由于施工組織原因實際并未設置隅撐造成主梁屈曲。該事故說明大跨度鋼結構施工對施工組織環(huán)節(jié)提出了更高的要求。

2.6 舒適性設計

當代建筑結構的振動頻率在不斷地降低，主要原因是結構設計的跨度相比之前有大幅度的提高。使得大部分結構的基頻落在人類正常活動產生的頻域區(qū)間內，因此在大跨結構設計中必須考慮舒適度的問題，類似于體育館等建筑在設計施工過程中所選擇的鋼樓蓋結構較為復雜，不能夠僅僅針對敏感位置的時程加速度曲線來證明結構激勵產生的振動形式，如果條件允許應當對結構實施振動加速度實測，得出合理的數(shù)字模型，進而為舒適性分析帶來更多依據(jù)。實際設計過程中，增強結構構件剛度屬于一種更經濟且高效的方式，針對新建項目能夠選擇鋼材和混凝土相組合的結構形式，另外依靠提升板厚等措施來滿足舒適性需求[4]。

3 結束語

綜上所述，近年來現(xiàn)代建筑技術得以飛速發(fā)展，大跨度鋼結構的設計方法也不斷更新。實際設計時必須要基于建筑具體使用需求的角度著手，在符合設計要求的基礎上充分考慮其他因素可能對大跨度鋼結構施工帶來的不利影響。